LT3790：高性能同步4開關(guān)降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。ADI公司的LT3790作為一款同步4開關(guān)降壓 - 升壓電壓/電流調(diào)節(jié)器控制器，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。本文將對(duì)LT3790進(jìn)行全面剖析，涵蓋其特性、應(yīng)用、參數(shù)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面。

文件下載：LT3790.pdf

一、LT3790的特性亮點(diǎn)

1. 靈活的電壓調(diào)節(jié)能力

LT3790采用4開關(guān)單電感架構(gòu)，允許輸入電壓 (V{IN}) 高于、低于或等于輸出電壓 (V{OUT})，這使得它能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的電源環(huán)境。無(wú)論是在汽車、電信還是工業(yè)系統(tǒng)中，都能提供穩(wěn)定的電壓輸出。

2. 高效的同步開關(guān)設(shè)計(jì)

同步開關(guān)技術(shù)使得LT3790的效率最高可達(dá)98.5%，大大降低了能量損耗，提高了系統(tǒng)的整體效率。這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備來(lái)說(shuō)尤為重要，能夠有效延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

3. 寬輸入電壓范圍

其輸入電壓范圍為4.7V至60V，輸出電壓精度可達(dá)2%（(1.2V ≤ V{OUT} < 60V)），輸出電流精度為6%（(0V ≤ V{OUT} < 60V)），能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)電壓和電流的精確控制需求。

4. 豐富的監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能

提供輸入和輸出電流調(diào)節(jié)功能，并帶有電流監(jiān)測(cè)輸出，方便工程師實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的電流狀態(tài)。同時(shí)，具備C/10充電終止和輸出短路標(biāo)志，能夠有效保護(hù)電池和設(shè)備安全。

5. 強(qiáng)大的功率擴(kuò)展能力

每個(gè)IC能夠處理100W或更高的功率，并且易于并聯(lián)以擴(kuò)展輸出功率，滿足高功率應(yīng)用的需求。

二、典型應(yīng)用場(chǎng)景

1. 汽車、電信和工業(yè)系統(tǒng)

在汽車電子中，LT3790可以為各種車載設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，適應(yīng)汽車電氣系統(tǒng)復(fù)雜的電壓變化。在電信和工業(yè)系統(tǒng)中，它能夠確保設(shè)備在不同的電源環(huán)境下正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。

2. 高功率電池供電系統(tǒng)

對(duì)于高功率電池供電的設(shè)備，如電動(dòng)工具、無(wú)人機(jī)等，LT3790的高效性能和寬輸入電壓范圍能夠充分發(fā)揮電池的能量，延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

三、電氣特性詳解

1. 輸入特性

• 工作電壓：輸入工作電壓范圍為4.7V至60V，能夠適應(yīng)多種電源輸入。
• 關(guān)斷電流：當(dāng) (V_{EN/UVLO} = 0V) 時(shí)，輸入關(guān)斷電流 (I_Q) 典型值為0.1μA，最大值為1μA，有效降低了系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下的功耗。
• 工作電流：在非開關(guān)狀態(tài)下，當(dāng) (FB = 1.3V)，(R_T = 59.0k) 時(shí)，輸入工作電流 (I_Q) 典型值為3.0mA，最大值為4mA。

2. 邏輯輸入特性

• EN/UVLO引腳：具有精確的下降閾值（典型值為1.2V）和上升滯后（典型值為15mV），能夠有效控制芯片的開啟和關(guān)閉。
• CCM閾值電壓：范圍為0.3V至1.5V，用于控制芯片的連續(xù)傳導(dǎo)模式。

3. 調(diào)節(jié)特性

• 參考電壓：(V_{REF}) 電壓典型值為2.00V，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)精度可達(dá)±2%。
• 輸出電流感測(cè)：通過(guò) (V_{(ISP - ISN)}) 閾值來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流，該閾值可通過(guò)CTRL引腳進(jìn)行調(diào)整。

4. 故障保護(hù)特性

• 軟啟動(dòng)：通過(guò)SS引腳實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，減少輸入電源的浪涌電流。
• C/10和SHORT標(biāo)志：分別用于指示充電終止和輸出短路狀態(tài)。

5. 振蕩器特性

• 開關(guān)頻率：可通過(guò)RT引腳設(shè)置開關(guān)頻率，范圍為200kHz至700kHz，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化。
• 同步頻率：支持外部同步，同步頻率范圍為200kHz至700kHz。

四、引腳功能介紹

1. CTRL引腳

用于調(diào)節(jié)輸出電流感測(cè)閾值，線性范圍為0V至1.1V。當(dāng) (V{CTRL} > 1.3V) 時(shí)，電流感測(cè)閾值恒定為60mV；當(dāng) (1.1V < V{CTRL} < 1.3V) 時(shí)，閾值從線性函數(shù)過(guò)渡到恒定值。

2. SS引腳

軟啟動(dòng)引腳，通過(guò)連接一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，推薦電容值不小于22nF，并在SS和 (V_{REF}) 之間連接一個(gè)100k電阻。

3. PWM引腳

用于控制開關(guān)的開啟和關(guān)閉，低電平信號(hào)可使開關(guān)關(guān)閉，閑置開關(guān)并斷開 (V_C) 引腳與外部負(fù)載的連接。

4. C/10和SHORT引腳

分別為C/10充電終止和輸出短路標(biāo)志引腳，為開漏輸出，需要外部上拉電阻。

5. (V_{REF}) 引腳

電壓參考輸出引腳，典型值為2V，可提供高達(dá)200μA的電流，用于驅(qū)動(dòng)電阻分壓器進(jìn)行輸出電流調(diào)整或溫度補(bǔ)償。

6. ISMON和IVINMON引腳

分別用于監(jiān)測(cè)輸出和輸入電流，輸出電壓與相應(yīng)的電流感測(cè)電壓成正比。

7. EN/UVLO引腳

使能控制引腳，通過(guò)外部電阻分壓器和3μA下拉電流實(shí)現(xiàn)精確的下降閾值和可編程的滯后。

五、工作模式分析

1. 降壓模式（(V{IN} > V{OUT})）

在降壓模式下，開關(guān)M4始終導(dǎo)通，開關(guān)M3始終關(guān)斷。同步開關(guān)M2先導(dǎo)通，當(dāng)電感電流低于參考電壓時(shí)，M2關(guān)斷，M1導(dǎo)通，直到周期結(jié)束。

2. 降壓 - 升壓模式（(V{IN} approx V{OUT})）

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，控制器進(jìn)入降壓 - 升壓模式。每個(gè)周期中，開關(guān)M2和M4先導(dǎo)通，然后M1和M4導(dǎo)通，180°后M1和M3導(dǎo)通，最后M1和M4導(dǎo)通至周期結(jié)束。

3. 升壓模式（(V{IN} < V{OUT})）

在升壓模式下，開關(guān)M1始終導(dǎo)通，同步開關(guān)M2始終關(guān)斷。開關(guān)M3先導(dǎo)通，當(dāng)電感電流超過(guò)參考電壓時(shí)，M3關(guān)斷，M4導(dǎo)通，直到周期結(jié)束。

4. 低電流運(yùn)行模式

在重載時(shí)，建議將CCM引腳拉高至1.5V以上，使芯片運(yùn)行在強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。在輕載時(shí)，可將CCM引腳連接到 (overline{C / 10}) 引腳，實(shí)現(xiàn)不連續(xù)傳導(dǎo)模式，避免電感反向電流。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 外部組件選擇

• 電感選擇：電感值與工作頻率和紋波電流密切相關(guān)。較高的工作頻率允許使用較小的電感值，但會(huì)增加開關(guān)損耗。選擇電感時(shí)，應(yīng)考慮其低核心損耗、低直流電阻和飽和電流能力。
• (R_{SENSE}) 選擇：根據(jù)所需的輸出電流選擇 (R_{SENSE}) 的值，確保其在升壓和降壓模式下都能滿足最大輸出電流的要求，并留出20% - 30%的余量。
• (C{IN}) 和 (C{OUT}) 選擇：在降壓模式下，(C{IN}) 用于過(guò)濾輸入方波電流，應(yīng)選擇低ESR電容；在升壓模式下，(C{OUT}) 用于降低輸出電壓紋波，需考慮ESR和電容值。

2. 頻率編程和同步

• 頻率編程：通過(guò)RT引腳設(shè)置開關(guān)頻率，可根據(jù)效率、性能和外部組件尺寸進(jìn)行優(yōu)化。
• 頻率同步：使用SYNC引腳將開關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 電壓和電流編程

• 輸入電壓UVLO和OVLO編程：通過(guò)電阻分壓器精確設(shè)置輸入電壓的欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)壓鎖定（OVLO）閾值。
• 輸出電流編程：通過(guò)在輸出負(fù)載中串聯(lián)一個(gè)合適的電流感測(cè)電阻 (R_{OUT}) 來(lái)編程輸出電流，可通過(guò)CTRL引腳進(jìn)行調(diào)整。
• 輸入電流限制編程：使用獨(dú)立的電流感測(cè)放大器限制輸入電流，通過(guò) (R_{IN}) 計(jì)算輸入電流限制值。

4. 調(diào)光控制

可通過(guò)CTRL引腳或PWM引腳實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，PWM調(diào)光可通過(guò)存儲(chǔ)開關(guān)需求電流來(lái)提高恢復(fù)時(shí)間。

5. 軟啟動(dòng)和環(huán)路補(bǔ)償

• 軟啟動(dòng)：通過(guò)SS引腳的電容設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間，減少輸入電源的浪涌電流。
• 環(huán)路補(bǔ)償：使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器的 (V_C) 輸出補(bǔ)償控制環(huán)路，通過(guò)選擇合適的補(bǔ)償電阻和電容來(lái)優(yōu)化環(huán)路穩(wěn)定性。

6. 功率MOSFET選擇和效率考慮

• 功率MOSFET選擇：選擇具有合適擊穿電壓、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、反向傳輸電容和最大電流的N溝道功率MOSFET。
• 效率考慮：分析電路中的主要損耗源，如DC (I^2R) 損耗、過(guò)渡損耗、(INTV{CC}) 電流、(C{IN}) 和 (C_{OUT}) 損耗等，通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)提高效率。

7. PCB布局要點(diǎn)

• 接地平面：使用專用的接地平面層，確保PGND接地平面層無(wú)走線，并與功率MOSFET層盡可能接近。
• 組件布局：將 (C{IN})、開關(guān)M1、M2和D1放置在一個(gè)緊湊區(qū)域，將 (C{OUT})、開關(guān)M3、M4和D2放置在另一個(gè)緊湊區(qū)域。
• 信號(hào)和功率分離：分離信號(hào)和功率接地，將小信號(hào)組件連接到SGND引腳，再連接到PGND引腳。
• 短走線：保持高dV/dT節(jié)點(diǎn)（如SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2）遠(yuǎn)離敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)，縮短組件之間的走線長(zhǎng)度。

七、與LT3791 - 1的差異

LT3790是LT3791 - 1的改進(jìn)版本，主要差異如下：

• 電流感測(cè)電壓：LT3790的 (V_{(ISP - ISN)}) 電流感測(cè)電壓典型值為60mV，而LT3791 - 1為100mV，這使得LT3790在大多數(shù)應(yīng)用中可以使用更低功率的電流感測(cè)電阻。
• CTRL引腳特性：LT3790的CTRL引腳線性范圍為0V至1.1V，關(guān)斷閾值為50mV（典型值），而LT3791 - 1的線性范圍為200mV至1.1V，關(guān)斷閾值為175mV（典型值），這使得LT3790更易于并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更高功率。
• C/10引腳功能：LT3790的C/10引腳在 (V{(ISP - ISN)}) 電壓小于1/10滿量程時(shí)拉低，而LT3791 - 1需要同時(shí)滿足 (V{(ISP - ISN)}) 小于1/10滿量程和 (V_{FB}) 大于1.15V（典型值），這確保了LT3790在更廣泛的應(yīng)用中避免輕載時(shí)出現(xiàn)負(fù)電流。

八、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如98%高效的60W（12V 5A）電壓調(diào)節(jié)器、240W（24V 10A）和360W（24V 15A）的并聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器以及2.4A降壓 - 升壓36V SLA電池充電器等。這些電路展示了LT3790在不同功率和應(yīng)用場(chǎng)景下的實(shí)際應(yīng)用，為工程師提供了參考。

綜上所述，LT3790以其靈活的電壓調(diào)節(jié)能力、高效的同步開關(guān)設(shè)計(jì)、豐富的監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能以及強(qiáng)大的功率擴(kuò)展能力，成為了電源管理領(lǐng)域的一款優(yōu)秀芯片。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮LT3790的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用LT3790的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。